विषय सूची
- 1. परिचय
- 2. सिस्टम आर्किटेक्चर
- 3. प्रायोगिक परिणाम
- 4. तकनीकी विवरण और सूत्र
- 5. विश्लेषण ढाँचा: केस स्टडी
- 6. भविष्य के अनुप्रयोग और संभावनाएँ
- 7. मूल विश्लेषण
- 8. संदर्भ
1. परिचय
तंत्रिका सर्किट को समझने के लिए तंत्रिका गतिविधि की एक साथ रिकॉर्डिंग और हेरफेर की आवश्यकता होती है। ऑप्टोजेनेटिक्स प्रकाश के माध्यम से सटीक नियंत्रण को सक्षम बनाता है, लेकिन स्वतंत्र रूप से घूमने वाले जानवरों में गहरी मस्तिष्क संरचनाओं तक प्रकाश पहुँचाना चुनौतीपूर्ण बना हुआ है। यह कार्य एक लघुकृत 32-चैनल धारा स्रोत चिप प्रस्तुत करता है जो 1.37 ग्राम के हेडस्टेज पीसीबी में एकीकृत है, जिसे स्वतंत्र रूप से घूमने वाले चूहों में ऑप्टोजेनेटिक उत्तेजना के लिए सिलिकॉन जांच पर µLED चलाने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
2. सिस्टम आर्किटेक्चर
2.1 हेडस्टेज डिज़ाइन
हेडस्टेज पीसीबी का वजन 1.37 ग्राम है और यह कस्टम ASIC, एक माइक्रोकंट्रोलर, और µLED जांच और रिकॉर्डिंग हेडस्टेज के लिए कनेक्टर को एकीकृत करता है। इसे प्राकृतिक व्यवहार में बाधा डाले बिना स्वतंत्र रूप से घूमने वाले चूहे पर लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
2.2 ASIC धारा स्रोत
ASIC 10-बिट रिज़ॉल्यूशन के साथ 32 स्वतंत्र धारा स्रोत प्रदान करता है। प्रत्येक चैनल 4.6V तक µLED चला सकता है और प्रति चैनल 5 kHz की ताज़ा दर पर 0.9mA तक धारा प्रदान कर सकता है। डिज़ाइन छोटे नीले µLED के उच्च अग्र वोल्टेज और एकीकृत जांच के सामान्य-कैथोड कॉन्फ़िगरेशन को संबोधित करता है।
2.3 अंशांकन और नियंत्रण
µLED जांच के विरुद्ध अंशांकन प्रति µLED 10 µW तक प्रकाश उत्पादन शक्ति के रैखिक नियंत्रण को सक्षम बनाता है। सिस्टम सिंक्रनाइज़ रिकॉर्डिंग और उत्तेजना के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध रिकॉर्डिंग हेडस्टेज (जैसे, Intan RHD2000) के साथ इंटरफ़ेस करता है।
3. प्रायोगिक परिणाम
3.1 विद्युत अभिलक्षणीकरण
सिस्टम प्रति चैनल 4.6V का अधिकतम आउटपुट वोल्टेज और 0.9mA तक धारा प्राप्त करता है। 10-बिट रिज़ॉल्यूशन प्रकाश तीव्रता के सूक्ष्म-स्तरीय नियंत्रण की अनुमति देता है। 5 kHz की ताज़ा दर उच्च-आवृत्ति उत्तेजना पैटर्न का समर्थन करती है।
3.2 इन विवो सत्यापन
स्वतंत्र रूप से घूमने वाले चूहे के हिप्पोकैम्पस CA1 क्षेत्र में प्रत्यारोपित कई µLED को चलाकर तंत्रिका स्पाइकिंग गतिविधि के सिंथेटिक अनुक्रम उत्पन्न किए गए। सिस्टम ने उच्च स्थानिक, लौकिक और आयाम रिज़ॉल्यूशन का प्रदर्शन किया, जिससे उत्तेजना पैटर्न की एक समृद्ध विविधता सक्षम हुई।
4. तकनीकी विवरण और सूत्र
धारा स्रोत एक संशोधित हॉवलैंड धारा पंप टोपोलॉजी पर आधारित है। आउटपुट धारा $I_{out}$ निम्न द्वारा दी गई है:
$I_{out} = \frac{V_{in}}{R_{sense}} \cdot \frac{R_2}{R_1}$
जहाँ $V_{in}$ DAC से इनपुट वोल्टेज है, $R_{sense}$ संवेदन प्रतिरोधक है, और $R_1$, $R_2$ फीडबैक प्रतिरोधक हैं। 10-बिट DAC $2^{10} = 1024$ असतत धारा स्तर प्रदान करता है।
प्रति चैनल शक्ति अपव्यय $P = I_{out} \cdot V_{drop}$ है, जहाँ $V_{drop}$ धारा स्रोत पर वोल्टेज पात है। 3.5V के µLED अग्र वोल्टेज और 5V की आपूर्ति के लिए, $V_{drop} = 1.5V$, जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम धारा पर प्रति चैनल $P = 0.9mA \cdot 1.5V = 1.35mW$ होता है।
5. विश्लेषण ढाँचा: केस स्टडी
परिदृश्य: एक शोधकर्ता ऑप्टोजेनेटिक्स का उपयोग करके स्थानिक नेविगेशन में हिप्पोकैम्पल प्लेस कोशिकाओं की भूमिका की जांच करना चाहता है।
सेटअप: एक चूहा जिसमें CA1 में 32 µLED और रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड को एकीकृत करने वाली एक सिलिकॉन जांच प्रत्यारोपित की गई है। हेडस्टेज पीसीबी जुड़ा हुआ है, और चूहे को एक रैखिक ट्रैक पर रखा गया है।
प्रोटोकॉल: शोधकर्ता एक उत्तेजना अनुक्रम प्रोग्राम करता है जो एक विशिष्ट स्थानिक पैटर्न (जैसे, प्रकाश का एक गतिशील स्थान) में µLED को सक्रिय करता है ताकि प्लेस सेल गतिविधि का अनुकरण किया जा सके। सिस्टम का 10-बिट रिज़ॉल्यूशन तंत्रिका गतिविधि को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करते हुए ऊतक क्षति से बचने के लिए प्रकाश तीव्रता के सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है।
परिणाम: सिस्टम बंद-लूप प्रयोगों को सक्षम बनाता है जहाँ रिकॉर्ड की गई तंत्रिका गतिविधि विशिष्ट उत्तेजना पैटर्न को ट्रिगर करती है, जो तंत्रिका गतिविधि और व्यवहार के बीच कारण संबंधों में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है।
6. भविष्य के अनुप्रयोग और संभावनाएँ
लघुकृत धारा स्रोत चिप नई संभावनाओं को खोलता है:
- बंद-लूप ऑप्टोजेनेटिक्स: तंत्रिका सर्किट के फीडबैक नियंत्रण को सक्षम करने के लिए उत्तेजना पैटर्न को ट्रिगर करने के लिए तंत्रिका रिकॉर्डिंग का वास्तविक समय विश्लेषण।
- बहु-स्थल उत्तेजना: 32 µLED का स्वतंत्र नियंत्रण तंत्रिका गतिशीलता की जांच करने के लिए जटिल स्थानिक-लौकिक उत्तेजना पैटर्न की अनुमति देता है।
- वायरलेस सिस्टम के साथ एकीकरण: भविष्य के संस्करण पूरी तरह से बिना तार के प्रयोगों के लिए वायरलेस पावर और डेटा ट्रांसमिशन को शामिल कर सकते हैं।
- नैदानिक अनुप्रयोग: चिकित्सीय न्यूरोमॉड्यूलेशन के लिए मनुष्यों में प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों के लिए लघुकृत ड्राइवरों को अनुकूलित किया जा सकता है।
7. मूल विश्लेषण
मुख्य अंतर्दृष्टि: यह पेपर ऑप्टोजेनेटिक्स में एक महत्वपूर्ण अड़चन को हल करता है: µLED के लिए एक लघुकृत, उच्च-रिज़ॉल्यूशन धारा ड्राइवर की कमी जिसका उपयोग स्वतंत्र रूप से घूमने वाले जानवरों में किया जा सकता है। मुख्य नवाचार एक हल्के हेडस्टेज में 32-चैनल, 10-बिट धारा स्रोत ASIC का एकीकरण है, जो पशु व्यवहार से समझौता किए बिना सटीक ऑप्टिकल नियंत्रण को सक्षम बनाता है।
तार्किक प्रवाह: लेखक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध रिकॉर्डिंग हेडस्टेज और भारी उत्तेजना उपकरणों के बीच की खाई की पहचान करते हैं। वे µLED की विशिष्ट आवश्यकताओं (उच्च अग्र वोल्टेज, सामान्य-कैथोड कॉन्फ़िगरेशन) को पूरा करने के लिए एक कस्टम ASIC डिज़ाइन करते हैं। सिस्टम को विद्युत रूप से चित्रित किया जाता है और हिप्पोकैम्पस में सिंथेटिक तंत्रिका गतिविधि को चलाकर इन विवो में मान्य किया जाता है।
शक्तियाँ और कमियाँ: मुख्य शक्ति व्यावहारिक, अनुप्रयोग-संचालित डिज़ाइन है जो मौजूदा रिकॉर्डिंग सिस्टम के साथ सहजता से एकीकृत होता है। एक लघुकृत उपकरण के लिए 10-बिट रिज़ॉल्यूशन और 5 kHz ताज़ा दर प्रभावशाली है। हालाँकि, पेपर में आकार, बिजली की खपत और प्रदर्शन के मामले में मौजूदा लघुकृत ड्राइवरों (जैसे, [19]-[27]) के साथ विस्तृत तुलना का अभाव है। इन विवो सत्यापन सिंथेटिक गतिविधि तक सीमित है; वास्तविक बंद-लूप प्रयोग दावों को मजबूत करेंगे। इसके अतिरिक्त, सिस्टम का वजन (1.37 ग्राम) बहुत छोटे चूहों के लिए अभी भी महत्वपूर्ण हो सकता है।
कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: शोधकर्ताओं को स्वतंत्र रूप से घूमने वाले जानवरों में उच्च-रिज़ॉल्यूशन, बहु-स्थल ऑप्टोजेनेटिक नियंत्रण की आवश्यकता वाले प्रयोगों के लिए इस सिस्टम पर विचार करना चाहिए। खुला आर्किटेक्चर (Intan हेडस्टेज के साथ संगत) अपनाने में बाधा को कम करता है। भविष्य के काम को आकार और बिजली की खपत को कम करने, वायरलेस क्षमताओं को जोड़ने और बंद-लूप नियंत्रण प्रदर्शित करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए। यह दृष्टिकोण लघुकृत तंत्रिका इंटरफेस में व्यापक रुझानों के साथ संरेखित होता है, जैसा कि न्यूरोपिक्सेल जांच (जून एट अल., नेचर 2017) और वायरलेस ऑप्टोजेनेटिक सिस्टम (वेंट्ज़ एट अल., जे. न्यूरल इंजी. 2011) के विकास में देखा गया है।
8. संदर्भ
- जे. जे. जून एट अल., "तंत्रिका गतिविधि की उच्च-घनत्व रिकॉर्डिंग के लिए पूरी तरह से एकीकृत सिलिकॉन जांच," नेचर, वॉल्यूम 551, पृ. 232-236, 2017।
- सी. टी. वेंट्ज़ एट अल., "स्वतंत्र रूप से व्यवहार करने वाले जानवरों के ऑप्टिकल तंत्रिका नियंत्रण के लिए एक वायरलेस संचालित और नियंत्रित उपकरण," जे. न्यूरल इंजी., वॉल्यूम 8, नं. 4, 046021, 2011।
- ई. स्टार्क एट अल., "स्वतंत्र रूप से घूमने वाले जानवरों में कई न्यूरॉन्स के स्थानिक-लौकिक ऑप्टिकल नियंत्रण के लिए डायोड जांच," जे. न्यूरोफिज़ियोल., वॉल्यूम 108, पृ. 349-363, 2012।
- एफ. वू एट अल., "ऑप्टोजेनेटिक्स के लिए मोनोलिथिक रूप से एकीकृत ढांकता हुआ वेवगाइड और रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड के साथ एक प्रत्यारोपण योग्य तंत्रिका जांच," जे. न्यूरल इंजी., वॉल्यूम 14, नं. 2, 026012, 2017।
- के. डीसेरोथ, "ऑप्टोजेनेटिक्स: तंत्रिका विज्ञान में माइक्रोबियल ऑप्सिन के 10 वर्ष," नेट. न्यूरोसाइंस, वॉल्यूम 18, पृ. 1213-1225, 2015।